JPH0697171B2 - 変位測定装置 - Google Patents
変位測定装置Info
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- JPH0697171B2 JPH0697171B2 JP60115526A JP11552685A JPH0697171B2 JP H0697171 B2 JPH0697171 B2 JP H0697171B2 JP 60115526 A JP60115526 A JP 60115526A JP 11552685 A JP11552685 A JP 11552685A JP H0697171 B2 JPH0697171 B2 JP H0697171B2
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- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 4
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 2
- 230000010076 replication Effects 0.000 claims description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、長さまたは角度を測定できるモアレ・エン
コーダーと呼ばれる装置を用いる変位測定装置に関す
る。
コーダーと呼ばれる装置を用いる変位測定装置に関す
る。
この発明は、英国特許第1 474 049号明細書（Leitz;ラ
イツ社による）およびラスドーバとゲラシモフ（Rassud
ova ＆ Gerasimov）によるOptical Spectorscopy誌、第
12巻、第215頁（1963）の論文で知られている技術を出
発点としている。この技術は三つの回折格子干渉構造を
開示し、これ等の回折格子干渉構造は、実際の形状で
は、一方の格子を反射型にして二つの回折格子構造に低
減されている。モアレ縞が発生し、これ等のモアレ縞を
調べると、二つの回折格子間の相対運動の距離と方向を
知ることができる。
イツ社による）およびラスドーバとゲラシモフ（Rassud
ova ＆ Gerasimov）によるOptical Spectorscopy誌、第
12巻、第215頁（1963）の論文で知られている技術を出
発点としている。この技術は三つの回折格子干渉構造を
開示し、これ等の回折格子干渉構造は、実際の形状で
は、一方の格子を反射型にして二つの回折格子構造に低
減されている。モアレ縞が発生し、これ等のモアレ縞を
調べると、二つの回折格子間の相対運動の距離と方向を
知ることができる。
この発明は主に40μｍのピッチを有する微細な回折格子
を用いて、高分解能と組立調整の厳しくない許容公差を
提供することを目指している。精度を得るため、同り走
査視野を検出する光検出器でモアレ縞を調べる。従っ
て、焦点面にある検出器を用い−1,0,＋１次の回折波を
用いることが望ましい。
を用いて、高分解能と組立調整の厳しくない許容公差を
提供することを目指している。精度を得るため、同り走
査視野を検出する光検出器でモアレ縞を調べる。従っ
て、焦点面にある検出器を用い−1,0,＋１次の回折波を
用いることが望ましい。
それ故、検出器で検出された回折波の間の位相差を求め
ることが必要である。前記ライツ社の特許明細書には、
一方の回折格子を他方の回折格子に対して傾けて、両方
の回折格子の間の間隔に差を与えている。この系の主要
な難点は位相差またはオフセットの大きさが両方の回折
格子の間の間隔に大きく依存する点にある。微細な目盛
間隔の回折格子（例えば８μｍ）では、この間隔が数十
μｍの程度になり、間隔に僅かな変化があると、相対位
相に許されない変化が生じる。
ることが必要である。前記ライツ社の特許明細書には、
一方の回折格子を他方の回折格子に対して傾けて、両方
の回折格子の間の間隔に差を与えている。この系の主要
な難点は位相差またはオフセットの大きさが両方の回折
格子の間の間隔に大きく依存する点にある。微細な目盛
間隔の回折格子（例えば８μｍ）では、この間隔が数十
μｍの程度になり、間隔に僅かな変化があると、相対位
相に許されない変化が生じる。
ドイツ特許第23 16 248号明細書には、透過型回折格子
と反射型回折格子を有する変位測定装置が開示されてい
る。三個の検出器がそれぞれ０次の波および正と負の２
次回折波を検出している。１次の回折波を検出していな
い複数の検出器で検出される光信号の間の位相差に関し
て明確な開示がない。
と反射型回折格子を有する変位測定装置が開示されてい
る。三個の検出器がそれぞれ０次の波および正と負の２
次回折波を検出している。１次の回折波を検出していな
い複数の検出器で検出される光信号の間の位相差に関し
て明確な開示がない。
この発明の課題は、上に述べたライツ社の装置の難点を
解消するため、位相を求める代わりの手段を提供し、高
分解能で位置合わせが容易な変位測定装置を提供するこ
とにある。
解消するため、位相を求める代わりの手段を提供し、高
分解能で位置合わせが容易な変位測定装置を提供するこ
とにある。
上記の課題は、この発明により、一方の部材に設置され
た透過型のインデックス格子14と、他方の部材に設置さ
れた反射目盛格子16と、前記インデックス格子を通して
前記反射目盛格子を照明する光源10と、反射目盛格子か
ら反射された光が再びインデックス格子14を通過して、
このインデックス格子14に対する０次の回折光波および
±１次の回折光波を後焦点面上の三つの集束位置に集束
させる集束レンズ12と、前記三つの集束位置にそれぞれ
配設され、両部材間の相対変位を表わす回折光強度を検
出して、回折光強度の出力信号をそれぞれ出力する三個
の光電検出器18とから成り、インデックス格子14が光電
検出器18で検出される０次の回折光波と＋１次の回折光
波との間、および０次の回折光波と−１次の回折光波と
の間で180゜以外の位相差を与える光学特性を有し、こ
の光学特性がインデックス格子の形状やインデックス格
子を作製する材料の光吸収係数により定まる、二つの部
材間の相対変位を測定する変位測定装置によって解決さ
れている。
た透過型のインデックス格子14と、他方の部材に設置さ
れた反射目盛格子16と、前記インデックス格子を通して
前記反射目盛格子を照明する光源10と、反射目盛格子か
ら反射された光が再びインデックス格子14を通過して、
このインデックス格子14に対する０次の回折光波および
±１次の回折光波を後焦点面上の三つの集束位置に集束
させる集束レンズ12と、前記三つの集束位置にそれぞれ
配設され、両部材間の相対変位を表わす回折光強度を検
出して、回折光強度の出力信号をそれぞれ出力する三個
の光電検出器18とから成り、インデックス格子14が光電
検出器18で検出される０次の回折光波と＋１次の回折光
波との間、および０次の回折光波と−１次の回折光波と
の間で180゜以外の位相差を与える光学特性を有し、こ
の光学特性がインデックス格子の形状やインデックス格
子を作製する材料の光吸収係数により定まる、二つの部
材間の相対変位を測定する変位測定装置によって解決さ
れている。
この発明による他の有利な構成は特許請求の範囲の従属
請求項に記載されている。
請求項に記載されている。
前記インデックス格子の表面はどんな形状であってもよ
いが、好ましい形状は頭部が平坦か、あるいはドーム状
に形成された城壁先端形状であると良い。
いが、好ましい形状は頭部が平坦か、あるいはドーム状
に形成された城壁先端形状であると良い。
光電検出器で検出された回折次数の異なる波面の間の位
相差は隣合った城壁先端部の間の間隔に対する各城壁先
端部の幅の比に依存することが見出されている。前記の
比を繰り返し電気信号波形と同じようにマーク・スペー
ス比と呼ぶことにする。
相差は隣合った城壁先端部の間の間隔に対する各城壁先
端部の幅の比に依存することが見出されている。前記の
比を繰り返し電気信号波形と同じようにマーク・スペー
ス比と呼ぶことにする。
位相差は各城壁先端部の高さにも幾分依存する。実際に
よれば、0.5μｍ程度の高さは三つの信号の間に最適位
相差120゜を与えるだけでなく、信号のコントラストを
最大にする。
よれば、0.5μｍ程度の高さは三つの信号の間に最適位
相差120゜を与えるだけでなく、信号のコントラストを
最大にする。
目盛格子は理想的には100％の反射率を有し、頑丈で耐
久性のある材料で作製され、長方形の輪郭溝を付けてお
くと良い。
久性のある材料で作製され、長方形の輪郭溝を付けてお
くと良い。
前記格子は、複製を正確にし、信頼性を与える紫外線で
硬化する高分子材料により作製される。この紫外線硬化
性の高分子材料はスクリーン印刷の基材として広く使用
されている。この材料をインキに加えて、プラスチック
または金属の表面に塗布できる。紫外線で露光すると、
この材料が重合し、基板に固着する安定な化合物にな
る。
硬化する高分子材料により作製される。この紫外線硬化
性の高分子材料はスクリーン印刷の基材として広く使用
されている。この材料をインキに加えて、プラスチック
または金属の表面に塗布できる。紫外線で露光すると、
この材料が重合し、基板に固着する安定な化合物にな
る。
以下、添付図面を参照して、具体例でこの発明を更に説
明する。
明する。
第１図には、光源10,集束レンズ12、インデックス格子1
4、反射目盛格子16および集束レンズ12の焦点面にある
三個の光電検出器（何ずれも引用記号18で表す）で構成
されているこの発明の変位測定装置が示してある。この
場合、光源10から出た光は集束レンズ12により平行な光
ビームとなり、インデックス格子14を通過して反射目盛
格子16に達する。反射目盛格子16で反射した光は再びイ
ンデックス格子14を通過し、集束レンズ12によりこのレ
ンズの焦点面に設置されている光電検出器18に集束す
る。そして、前記光電検出器はそれぞれ光源10の像の０
次および±１次の回折波に対応する位置に配置されてい
る。この実施例では、光源10,集束レンズ12,インデック
ス格子14および光電検出器18は反射目盛格子16に対して
相対的に移動する読取ヘッドに装着されている。光電検
出器18の電気出力信号は静止している反射目盛格子16に
対する読取ヘッドの変位の向きと距離の値を与える。こ
うして、両部材間の直線変位または角度変位を測定でき
る。
4、反射目盛格子16および集束レンズ12の焦点面にある
三個の光電検出器（何ずれも引用記号18で表す）で構成
されているこの発明の変位測定装置が示してある。この
場合、光源10から出た光は集束レンズ12により平行な光
ビームとなり、インデックス格子14を通過して反射目盛
格子16に達する。反射目盛格子16で反射した光は再びイ
ンデックス格子14を通過し、集束レンズ12によりこのレ
ンズの焦点面に設置されている光電検出器18に集束す
る。そして、前記光電検出器はそれぞれ光源10の像の０
次および±１次の回折波に対応する位置に配置されてい
る。この実施例では、光源10,集束レンズ12,インデック
ス格子14および光電検出器18は反射目盛格子16に対して
相対的に移動する読取ヘッドに装着されている。光電検
出器18の電気出力信号は静止している反射目盛格子16に
対する読取ヘッドの変位の向きと距離の値を与える。こ
うして、両部材間の直線変位または角度変位を測定でき
る。
第２図は、実質上、第１図の「展開」図である。第２図
には、光の波面の伝播する光路とこれ等の波の相対位相
を示すのを簡単にするため、実際には反射型である目盛
格子を透過型の格子にして示してある。それ故、第２図
の二つのインデックス格子14aと14bは、実際には第１図
に示す単一のインデックス格子14で構成されている。
には、光の波面の伝播する光路とこれ等の波の相対位相
を示すのを簡単にするため、実際には反射型である目盛
格子を透過型の格子にして示してある。それ故、第２図
の二つのインデックス格子14aと14bは、実際には第１図
に示す単一のインデックス格子14で構成されている。
第２図は光学系を参照すると、入射ビームはインデック
ス格子14aにより０次回折波とこの０次回折に対して位
相角ψラジアンほど遅延した１次回折波とに分離する。
目盛格子16では、１次回折波が０次回折波に比べて位相
角Ωラジアンほど遅くれる。この位相の遅れΩはインデ
ックス格子14が反射目盛格子16に対して移動した相対移
動距離ｕに比例する。ここで、Ω＝２πu/Gであって、
Ｇはインデックス格子14の目盛のピッチである。その結
果、光電検出器18が検出する−1,0,＋１次の回折光波の
強度J-1,J0,J+1は、それぞれ J-1＝C-1［１＋cos（２Ω−２ψ）］ J0＝C0［１＋cos（２Ω）］ J+1＝C+1［１＋cos（２Ω＋２ψ）］ と表せる。ここで、C-1,C0,C+1は比例定数である。つま
り、０次回折波を基準にして０次の波面20は位相０を、
正の１次回折波の波面22は位相２ψを、また負の１次回
折波の波面24は位相−２ψを有する。注目すべきこと
は、光線が最終インデックス格子14bで再構成される
時、反射目盛格子16によって導入される位相差Ωが相殺
され、発生した波面20,22,24間のそれぞれの位相関係が
反射目盛格子16のパラメータに無関係となる点にある。
ス格子14aにより０次回折波とこの０次回折に対して位
相角ψラジアンほど遅延した１次回折波とに分離する。
目盛格子16では、１次回折波が０次回折波に比べて位相
角Ωラジアンほど遅くれる。この位相の遅れΩはインデ
ックス格子14が反射目盛格子16に対して移動した相対移
動距離ｕに比例する。ここで、Ω＝２πu/Gであって、
Ｇはインデックス格子14の目盛のピッチである。その結
果、光電検出器18が検出する−1,0,＋１次の回折光波の
強度J-1,J0,J+1は、それぞれ J-1＝C-1［１＋cos（２Ω−２ψ）］ J0＝C0［１＋cos（２Ω）］ J+1＝C+1［１＋cos（２Ω＋２ψ）］ と表せる。ここで、C-1,C0,C+1は比例定数である。つま
り、０次回折波を基準にして０次の波面20は位相０を、
正の１次回折波の波面22は位相２ψを、また負の１次回
折波の波面24は位相−２ψを有する。注目すべきこと
は、光線が最終インデックス格子14bで再構成される
時、反射目盛格子16によって導入される位相差Ωが相殺
され、発生した波面20,22,24間のそれぞれの位相関係が
反射目盛格子16のパラメータに無関係となる点にある。
三個の光電検出器18で検出される三つの波面20,22,24間
のそれぞれの位相差が120゜であると良い。何故なら、
この条件では検出器で生じる出力信号の精度を最大にす
るからである。城壁先端型形状（第３図）を有するイン
デックス格子14を用いて実験を行った。インデックス格
子14と反射目盛格子16の間の間隔を1mmに保ち、検出器
からの信号の変調の位相差と大きさを0.27と0.572の間
の段の高さに対して測定した。0.5μｍの段の高さが望
ましい位相差120゜だけでなく、０次の波の変調に最大
深さを与えることが観察された。
のそれぞれの位相差が120゜であると良い。何故なら、
この条件では検出器で生じる出力信号の精度を最大にす
るからである。城壁先端型形状（第３図）を有するイン
デックス格子14を用いて実験を行った。インデックス格
子14と反射目盛格子16の間の間隔を1mmに保ち、検出器
からの信号の変調の位相差と大きさを0.27と0.572の間
の段の高さに対して測定した。0.5μｍの段の高さが望
ましい位相差120゜だけでなく、０次の波の変調に最大
深さを与えることが観察された。
第３図に示した格子14のマーク・スペースの比はa:bで
ある。例えば、a:bが1:3であると、理論は各段の高さｈ
が0.51μｍで120゜の位相差を与えることを示してい
る。
ある。例えば、a:bが1:3であると、理論は各段の高さｈ
が0.51μｍで120゜の位相差を与えることを示してい
る。
第１図、この発明による変位測定装置の光学系の図面、 第２図、模式光学図面、 第３図、第１図と第２図のインデックス格子の一部を示
す拡大図。 図中引用記号： 10……光源 12……集束レンズ 14,14a,14b……インデックス格子 16……反射目盛格子 18……光電検出器 20,22,24……波面
す拡大図。 図中引用記号： 10……光源 12……集束レンズ 14,14a,14b……インデックス格子 16……反射目盛格子 18……光電検出器 20,22,24……波面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−61608（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−9300（ＪＰ，Ｂ１) 英国特許1474049（ＧＢ，Ａ) 西独特許出願公開2316248（ＤＥ，Ａ)
Claims (7)
- 【請求項１】一方の部材に設置された透過型のインデッ
クス格子（14）と、他方の部材に設置された反射目盛格
子（16）と、前記インデックス格子を通して前記反射目
盛格子を照明する光源（10）と、反射目盛格子から反射
された光が再びインデックス格子（14）を通過して、こ
のインデックス格子（14）に対する０次の回折光波およ
び±１次の回折光波を後焦点面上の三つの集束位置に集
束させる集束レンズ（12）と、前記三つの集束位置にそ
れぞれ配設され、両部材間の相対変位を表す回折光強度
を検出して、回折光強度の出力信号をそれぞれ出力する
三個の光電検出器（18）とから成り、二つの部材間の相
対変位を測定する変位測定装置において、インデックス
格子（14）が光電検出器（18）で検出される０次の回折
光波と＋１次の回折光波との間、および０次の回折光波
と−１次の回折光波との間で180゜以外の位相差を与え
る光学特性を有し、この光学特性がインデックス格子の
形状やインデックス格子を作製する材料の光吸収係数に
より定まることを特徴とする装置。 - 【請求項２】インデックス格子（14）の表面は城壁先端
状であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
の装置。 - 【請求項３】各城壁先端部は頭部が平坦であることを特
徴とする特許請求の範囲第２項に記載の装置。 - 【請求項４】各城壁先端部は頭部がドーム状に形成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の
装置。 - 【請求項５】城壁先端部のマーク・スペース比（a:b）
とこの城壁先端部の高さ（ｈ）は三種の出力信号の間に
互いに120゜の位相差を与えるように選択されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１〜４項の何れか１項
に記載の装置。 - 【請求項６】各城壁先端部の高さは0.5μｍの程度であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１〜５項の何れか
１項に記載の装置。 - 【請求項７】インデックス格子（14）と反射目盛格子
（16）は正確で信頼性のある複製を与える紫外線硬化ポ
リマーで作製されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１〜６項の何れか１項に記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB848413955A GB8413955D0 (en) | 1984-05-31 | 1984-05-31 | Displacement measuring apparatus |
| GB8413955 | 1984-05-31 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60260813A JPS60260813A (ja) | 1985-12-24 |
| JPH0697171B2 true JPH0697171B2 (ja) | 1994-11-30 |
Family
ID=10561773
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60115526A Expired - Lifetime JPH0697171B2 (ja) | 1984-05-31 | 1985-05-30 | 変位測定装置 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4776701A (ja) |
| EP (1) | EP0163362B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0697171B2 (ja) |
| AT (1) | ATE35053T1 (ja) |
| DE (1) | DE3563266D1 (ja) |
| ES (1) | ES8703018A1 (ja) |
| GB (1) | GB8413955D0 (ja) |
| SU (1) | SU1560068A3 (ja) |
Families Citing this family (95)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3541199C1 (de) * | 1985-11-21 | 1987-06-25 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Lichtelektrische Positionsmesseinrichtung |
| JPS62172203A (ja) * | 1986-01-27 | 1987-07-29 | Agency Of Ind Science & Technol | 相対変位測定方法 |
| GB8615196D0 (en) * | 1986-06-21 | 1986-07-23 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale reading apparatus |
| GB8706317D0 (en) * | 1987-03-17 | 1987-04-23 | Bicc Plc | Optical sensor |
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